第十一章 波式和射线式传感器第一节 超声波式传感器振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波 。 频率在 16~2× 104 Hz之间,能为人耳所闻的机械波,称为声波 ; 低于 16 Hz的机械波,称为次声波 ;频率高于 2× 104 Hz的机械波,称为超声波 。
当超声波由一种介质入射到另一种介质时,
由于在两种介质中传播速度不同,在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。
一,超声波的波形及其物理性质
1、超声波波型及其转换由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同,声波的波型也不同。通常有,
① 纵波 ——质点振动方向与波的传播方向一致的波。它能在固体、液体和气体中传播。
② 横波 ——质点振动方向垂直于传播方向的波 。
。
③ 表面波 ——质点的振动介于横波与纵波之间,
沿着表面传播的波 。 表面波随深度增加衰减很快 。
表面波振动轨迹是椭圆型,在固体表面传播 。
2,波型转换
（ 固体 ） 的界面上时,除有纵波的反射,折射外,还发生横波的反射和折射,在某种情况下,还能产生表面波 。
3.
在两界面处,声波的传输与光传输类似,符合反射定律和折射定律 。
2
1
'
s in
s in
c
c
C1与 C2为声波在第一介质和第二介质中传播声速。
反射定律,入射波与反射波的波形相同，波速相等时：
折射定律：
超声波的反射和折射
4,超声波的衰减声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,其衰减的程度与声波的扩散,散射及吸收等因素有关 。
x
x
x
x
eII
epp
2
0
0
Px,Ix ——距声源 x处的声压和声强 ;
x——声波与声源间的距离 ;
α——衰减系数
（ 11-2）
（ 11-3）
10.2
一,超声波传感器为了以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波 。 完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声波换能器,或超声波探头 。
超声波测距原理：
超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再反回到接收探头。
超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，
称为 压电式超声波探头 。 它是实现声、电转换的装置。利用压电材料的压电效应来工作的,逆压电效应 将高频电振动转换成高频机械振动,从而产生超声波,可作为发射探头 ; 利用 正压电效应,
将超声振动波转换成电信号,可用为接收探头。
111
2
Ef
超声波频率与厚度的关系,
11E
——晶片沿 x轴的弹性模量
——晶片密度超声波频率 f与其厚度 δ成反比。
超声波探头结构
2,超声波液 （ 物 ） 位传感器从探头发出超声波脉冲通过介质到达液面,经过反射后又被探头接收 。 测量发射与接收超声波脉冲的时间间隔和声波在介质中传播速度,可求出探头与液面之间的距离 。 实现液位 （ 物位 ） 的测量 。 根据发射和接收换能器的功能,传感器又可分为单换能器和双换能器 。
对于单换能器 （ 复合换能器 ） 来说,超声波从发射到液面,
v
ht 2?
2
vth?
对于双换能器 （ 一对 ） 来说,超声波从发射到被接收经过的路程为 2s,而
s =
h = （ s2-a2） 1/2
2
vt
2、
超声波传输时间差法测流量 。
超声波在流体中传输时,在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的,利用这一特点可以求出流体的速度,再根据管道流体的截面积,便可知道流体的流量 。
如果在流体中设置两个超声波传感器 （ 复合探头 ）,它们可以发射超声波又可以接收超声波,一个装在上游,一个装在下游,其距离为 L。 如设顺流方向的传输时间为 t1,逆流方向的传输时间为 t2,流体静止时的超声波传输速度为 c,流体流动速度为 v。
t1=
t2 =
超声波传播时间差为
Δt=t2－ t1=
vc
L
vc
L
22
2
vc
Lv
流体的流速为
tLc2
2v =
（ C>>V）
实际应用中,超声波传感器安装在管道的外部,从管道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响,也有利于安装 。
当探头 1为发射探头,2为接收探头时,超声波传播速度为顺流传播时间 t1为当探头 2为发射探头,1为接收探头时，超声波传播速度为
1
co ss i n
t
D
c
s i n
c o s
1 c
D
t
2
co ss i n
t
D
c
逆流流传播时间 t2为时差为流体的平均流速为该方法测量精度取决于时间差的测量精度，且
C是温度的函数，高精度测量需进行温度补偿。
si n
c o s
2 c
D
t
212
2
si n
c o s
si n
c o s
c
Dtg
c
D
c
D
ttt
Dtg
tc
2
2?
3、超声波探伤脉冲反射法。
超声波发射到被测试件后，传播到有声阻抗的界面上，产生反射。反射波显示在示波器屏幕上。
BFT
脉冲发生器 接收放大器缺欠探头工件纵波探测分一次反射波法和多次反射波法。
一次反射波按时间顺序屏幕上显示发射波、表面反射波和底面反射波。若工件内部有缺欠，
对超声波有较强的吸收，底波幅度减小。
多次反射波以多次底波反射为依据。底波反射回探头时，一部分声波被探头接收，另一部分又返回底部，多次反射，直至声能全部衰减完为止。
当试件有缺欠时，声波衰减很大，底波反射次数减少，直至消失，由此判断有无缺欠及缺欠的严重程度。
第二节 微波式传感器一、微波的基础知识微波是波长为 1m一 1mm的电磁波，具有下列特点：①空间辐射的装置容易制造；②遇到各种障碍物易于反射；③绕射能力较差；
④传输特性良好；⑤介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。
微波式传感器的组成,微波振荡器和微波天线二、微波传感器测量原理,由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线接收通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。
微波传感器可分为反射式与遮断式两种。
1．反射式传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔来表达被测物的位置、厚度等参数。
2．遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，
来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等参数。
三、微波传感器的应用
1．微波液位计微波发射天线 微波接收天线
2
2244
t t r
r
P G GP
sd
当发射功率、波长、增益均恒定时，只要测得接收功率,就可获得被测液面的高度。
rP
2．微波物位计
（ 1）当被测物位较低时发射天线发出的微波束全部由接收天线接收，经放大器、比较器后发出正常工作信号。
（ 2）当被测物位升高到天线所在的高度时微波束部分被吸收部分被反射，接收天线接到的功率相应减弱，经放大器、比较器就可给出被测物位高出设定物位的信号。
第三节 射线式传感器定义：利用放射性同位素、根据被测物质对放射线的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作的。也称核辐射检测装置。
一、核幅射的物理基础
1．放射性同位素放射性衰变规律：
0 e xp( )I I t
—— 开始时 (t＝ 0)的放射源强度
—— t时的放射源强度
—— 放射性衰变常数
0I
I
半哀期：
l n 2 0,6 9 3?
是不受任何外界作用影响而且和时间无关的恒量，不同放射性元素的半衰期不同。
2．核辐射放射性同位素在衰变过程中放出一种特殊的带有一定能量的粒子或射线，叫核辐射。
(1) 粒子：? 主要用于气体分析，测量气体压力、
流量等。
(2) 粒子：? 主要用于测量材料厚度、密度等。
(3) 射线：? 穿透能力很强，广泛应用于金属探伤、测大厚度等。
3．核辐射与物质的相互作用主要是电离、吸收和反射辐射在穿过物质层后、其能量强度为：
0 e x p ( )I I h
—— 入射到吸收体的辐射通量的强度
—— 穿过厚度为 h(单位为 cm)的吸收层后的幅射通量强度
—— 线性吸收系数
0I
I
设质量厚度,则吸收公式可写成用质量吸收系数表示上式得：
0 e x p ( )I I h
xh
0 e x p ( )I I x
这些公式是设计核辐射测量仪器的基础。
射线在物质中穿行时容易改变运动方向而产生散射现象，反散射的大小与 粒子的能量、物质的原了序数及厚度有关，因此可以测量材料的涂层厚度。
二、射线式传感器由放射源和探测器组成
1．射线源放射线源的结构应使射线从测量方向射出，
射线出口处装有耐辐射薄膜，
以防灰尘浸入，并能防止放射源受到意外损伤而造成污染。
2．探测器探测器就是核辐射的接收器，常用的有电离室、闪烁计数器和盖革计数管。
（ 1）电离室空气中设置一个平行极板电容器，对其加上几百伏的极化电压。
(2)闪烁计数器
(3)盖革计数管结构示意图特性曲线三、核辐射检测的应用
当超声波由一种介质入射到另一种介质时,
由于在两种介质中传播速度不同,在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。
一,超声波的波形及其物理性质
1、超声波波型及其转换由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同,声波的波型也不同。通常有,
① 纵波 ——质点振动方向与波的传播方向一致的波。它能在固体、液体和气体中传播。
② 横波 ——质点振动方向垂直于传播方向的波 。
。
③ 表面波 ——质点的振动介于横波与纵波之间,
沿着表面传播的波 。 表面波随深度增加衰减很快 。
表面波振动轨迹是椭圆型,在固体表面传播 。
2,波型转换
（ 固体 ） 的界面上时,除有纵波的反射,折射外,还发生横波的反射和折射,在某种情况下,还能产生表面波 。
3.
在两界面处,声波的传输与光传输类似,符合反射定律和折射定律 。
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C1与 C2为声波在第一介质和第二介质中传播声速。
反射定律,入射波与反射波的波形相同，波速相等时：
折射定律：
超声波的反射和折射
4,超声波的衰减声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,其衰减的程度与声波的扩散,散射及吸收等因素有关 。
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Px,Ix ——距声源 x处的声压和声强 ;
x——声波与声源间的距离 ;
α——衰减系数
（ 11-2）
（ 11-3）
10.2
一,超声波传感器为了以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波 。 完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声波换能器,或超声波探头 。
超声波测距原理：
超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再反回到接收探头。
超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，
称为 压电式超声波探头 。 它是实现声、电转换的装置。利用压电材料的压电效应来工作的,逆压电效应 将高频电振动转换成高频机械振动,从而产生超声波,可作为发射探头 ; 利用 正压电效应,
将超声振动波转换成电信号,可用为接收探头。
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超声波频率与厚度的关系,
11E
——晶片沿 x轴的弹性模量
——晶片密度超声波频率 f与其厚度 δ成反比。
超声波探头结构
2,超声波液 （ 物 ） 位传感器从探头发出超声波脉冲通过介质到达液面,经过反射后又被探头接收 。 测量发射与接收超声波脉冲的时间间隔和声波在介质中传播速度,可求出探头与液面之间的距离 。 实现液位 （ 物位 ） 的测量 。 根据发射和接收换能器的功能,传感器又可分为单换能器和双换能器 。
对于单换能器 （ 复合换能器 ） 来说,超声波从发射到液面,
v
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对于双换能器 （ 一对 ） 来说,超声波从发射到被接收经过的路程为 2s,而
s =
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超声波传输时间差法测流量 。
超声波在流体中传输时,在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的,利用这一特点可以求出流体的速度,再根据管道流体的截面积,便可知道流体的流量 。
如果在流体中设置两个超声波传感器 （ 复合探头 ）,它们可以发射超声波又可以接收超声波,一个装在上游,一个装在下游,其距离为 L。 如设顺流方向的传输时间为 t1,逆流方向的传输时间为 t2,流体静止时的超声波传输速度为 c,流体流动速度为 v。
t1=
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超声波传播时间差为
Δt=t2－ t1=
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流体的流速为
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实际应用中,超声波传感器安装在管道的外部,从管道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响,也有利于安装 。
当探头 1为发射探头,2为接收探头时,超声波传播速度为顺流传播时间 t1为当探头 2为发射探头,1为接收探头时，超声波传播速度为
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3、超声波探伤脉冲反射法。
超声波发射到被测试件后，传播到有声阻抗的界面上，产生反射。反射波显示在示波器屏幕上。
BFT
脉冲发生器 接收放大器缺欠探头工件纵波探测分一次反射波法和多次反射波法。
一次反射波按时间顺序屏幕上显示发射波、表面反射波和底面反射波。若工件内部有缺欠，
对超声波有较强的吸收，底波幅度减小。
多次反射波以多次底波反射为依据。底波反射回探头时，一部分声波被探头接收，另一部分又返回底部，多次反射，直至声能全部衰减完为止。
当试件有缺欠时，声波衰减很大，底波反射次数减少，直至消失，由此判断有无缺欠及缺欠的严重程度。
第二节 微波式传感器一、微波的基础知识微波是波长为 1m一 1mm的电磁波，具有下列特点：①空间辐射的装置容易制造；②遇到各种障碍物易于反射；③绕射能力较差；
④传输特性良好；⑤介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。
微波式传感器的组成,微波振荡器和微波天线二、微波传感器测量原理,由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线接收通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。
微波传感器可分为反射式与遮断式两种。
1．反射式传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔来表达被测物的位置、厚度等参数。
2．遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，
来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等参数。
三、微波传感器的应用
1．微波液位计微波发射天线 微波接收天线
2
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2．微波物位计
（ 1）当被测物位较低时发射天线发出的微波束全部由接收天线接收，经放大器、比较器后发出正常工作信号。
（ 2）当被测物位升高到天线所在的高度时微波束部分被吸收部分被反射，接收天线接到的功率相应减弱，经放大器、比较器就可给出被测物位高出设定物位的信号。
第三节 射线式传感器定义：利用放射性同位素、根据被测物质对放射线的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作的。也称核辐射检测装置。
一、核幅射的物理基础
1．放射性同位素放射性衰变规律：
0 e xp( )I I t
—— 开始时 (t＝ 0)的放射源强度
—— t时的放射源强度
—— 放射性衰变常数
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半哀期：
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是不受任何外界作用影响而且和时间无关的恒量，不同放射性元素的半衰期不同。
2．核辐射放射性同位素在衰变过程中放出一种特殊的带有一定能量的粒子或射线，叫核辐射。
(1) 粒子：? 主要用于气体分析，测量气体压力、
流量等。
(2) 粒子：? 主要用于测量材料厚度、密度等。
(3) 射线：? 穿透能力很强，广泛应用于金属探伤、测大厚度等。
3．核辐射与物质的相互作用主要是电离、吸收和反射辐射在穿过物质层后、其能量强度为：
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—— 入射到吸收体的辐射通量的强度
—— 穿过厚度为 h(单位为 cm)的吸收层后的幅射通量强度
—— 线性吸收系数
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设质量厚度,则吸收公式可写成用质量吸收系数表示上式得：
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这些公式是设计核辐射测量仪器的基础。
射线在物质中穿行时容易改变运动方向而产生散射现象，反散射的大小与 粒子的能量、物质的原了序数及厚度有关，因此可以测量材料的涂层厚度。
二、射线式传感器由放射源和探测器组成
1．射线源放射线源的结构应使射线从测量方向射出，
射线出口处装有耐辐射薄膜，
以防灰尘浸入，并能防止放射源受到意外损伤而造成污染。
2．探测器探测器就是核辐射的接收器，常用的有电离室、闪烁计数器和盖革计数管。
（ 1）电离室空气中设置一个平行极板电容器，对其加上几百伏的极化电压。
(2)闪烁计数器
(3)盖革计数管结构示意图特性曲线三、核辐射检测的应用
